JP2003065931A - Scanning type probe microscope and information- reproducing apparatus using the same - Google Patents
Scanning type probe microscope and information- reproducing apparatus using the sameInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、改良された力勾配
検出装置と、その応用装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improved force gradient detecting device and its application device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】試料表面の凹凸や、試料表面からの静電
気力あるいは静磁気的力をナノメータの大きさで検出す
る装置として、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microsc
ope,以後ＡＦＭと略称）がある。AFMにおいては、カン
チレバーの先端につけた探針と観察対象の試料表面との
間にはたらく力を検出する。AFMにおいて探針は、ファ
ンデルワールス力とクーロンの法則に従う電気力、磁気
力を検出している。2. Description of the Related Art An atomic force microscope (Atomic Force Microscatter) is used as a device for detecting irregularities on a sample surface and electrostatic or magnetostatic forces from the sample surface with a size of nanometer.
ope, hereinafter abbreviated as AFM). In AFM, the force acting between the probe attached to the tip of the cantilever and the sample surface to be observed is detected. In AFM, the probe detects van der Waals force and electric force and magnetic force according to Coulomb's law.
【０００３】そこでまず、これらの力とその性質につい
て述べておく。ファンデルワールス力に寄与するエネル
ギーは、一般にLennard-Jones型ポテンシャルｗ１（ｚ
１）、すなわち、ｗ１（ｚ１）＝（Ａ１/ｚ１ １２）−
（Ａ２/ｚ６）で表される。ただし、ｚ１は試料−探針
間の距離、Ａ１とＡ２はそれぞれ異なる正の定数であ
る。したがって、ファンデルワールス力Ｆ１は、Therefore, first, these forces and their properties will be described. The energy that contributes to the van der Waals force is generally the Lennard-Jones type potential w 1 (z
1 ), that is, w 1 (z 1 ) = (A 1 / z 1 12 ) −
It is represented by (A 2 / z 6 ). However, z 1 is the distance between the sample and the probe, and A 1 and A 2 are different positive constants. Therefore, the van der Waals force F 1 is
【数１】
となる。ここでは力が負の値の場合には引力を、正の場
合には斥力を表す。[Equation 1] Becomes Here, when the force is a negative value, it represents an attractive force, and when it is positive, it represents a repulsive force.
【０００４】また、電気的なクーロン相互作用のエネル
ギーは、試料−カンチレバー間の静電容量がＣ１である
とき、ｗ２（ｚ１）＝−（１/２）C1（V１−V２）2で表
される。ただし、Ｖ１は試料を基準としてカンチレバー
に外部回路から加える電圧、Ｖ２は探針−試料間の接触
電位差である。したがって、電荷に起因したクーロン力
Ｆ２は、The energy of the electric Coulomb interaction is w 2 (z 1 ) =-(1/2) C 1 (V 1 -V when the capacitance between the sample and the cantilever is C 1. 2 ) It is represented by 2 . However, V 1 is a voltage applied from an external circuit to the cantilever with reference to the sample, and V 2 is a contact potential difference between the probe and the sample. Therefore, the Coulomb force F 2 caused by the charge is
【数２】 となる。[Equation 2] Becomes
【０００５】さらに、磁気的なクーロン相互作用のエネ
ルギーは、二つの磁荷ｑ１、ｑ２が試料、探針上にそれ
ぞれあり、試料−探針間距離がｚ１である場合、ｗ
３（ｚ１）＝Ａ３ｑ１ｑ２/ｚ１となる。ただし、Ａ３
は正の定数である。したがって、磁荷に起因したクーロ
ン力Ｆ３は、Further, the energy of the magnetic Coulomb interaction is w when two magnetic charges q 1 and q 2 are present on the sample and the probe, respectively, and the sample-probe distance is z 1.
3 (z 1 ) = A 3 q 1 q 2 / z 1 . However, A 3
Is a positive constant. Therefore, the Coulomb force F 3 due to the magnetic charge is
【数３】 となる。ただし、Ａ４は正の定数である。[Equation 3] Becomes However, A 4 is a positive constant.
【０００６】従って試料とカンチレバーの間にはたらく
力Ｆ０は、これらの和、即ちTherefore, the force F 0 acting between the sample and the cantilever is the sum of these, that is,
【数４】
となり、ファンデルワールス力と２つのクーロン力との
和で表される。なお、（数１）と（数２）または（数
３）とを比較すればわかる通り、（数１）のファンデル
ワールス力の方が、電荷および磁荷に起因したクーロン
力（数２）または（数３）よりも、距離依存性が強い。[Equation 4] And is represented by the sum of van der Waals force and two Coulomb forces. As can be seen from a comparison between (Equation 1) and (Equation 2) or (Equation 3), the van der Waals force of (Equation 1) is the Coulomb force (Equation 2) caused by electric charge and magnetic charge. Alternatively, the distance dependence is stronger than in (Equation 3).
【０００７】こうした力を検出するＡＦＭには、接触型
と非接触型の２種類がある。接触型ＡＦＭでは、カンチ
レバーの自由端に設けられた探針を試料表面に１ｎｍ以
下の距離に接近させ、カンチレバーと試料間にはたらく
力Ｆ０をカンチレバーのたわみとして検出する。したが
って、カンチレバーのたわみが一定になるように試料を
上下させながら、探針に対して操作すると、カンチレバ
ーの動きから表面の凹凸を画像化できる。There are two types of AFM for detecting such a force, a contact type and a non-contact type. In the contact type AFM, a probe provided at the free end of the cantilever is brought close to the sample surface to a distance of 1 nm or less, and the force F 0 acting between the cantilever and the sample is detected as the deflection of the cantilever. Therefore, by operating the probe while moving the sample up and down so that the deflection of the cantilever is constant, the surface irregularities can be imaged from the movement of the cantilever.
【０００８】これに対し、非接触型ＡＦＭでは、探針を
試料から好ましくは１０−１０ｍから１０−８ｍ程度の
距離に接近させ、カンチレバーの機械的な共振周波数近
傍で強制振動させる。この距離において、試料とカンチ
レバーの間にはたらく力Ｆ０は（数４）で与えられ、こ
の試料とカンチレバーの間にはたらく力Ｆ０の距離微分
（力勾配と呼ぶ）もまた距離によって決まる。力Ｆ０の
距離微分を一つのばね定数とみなせば、この状態におい
てカンチレバーには、カンチレバー自体のばねのほか
に、カンチレバーと試料の間にはたらく力Ｆ０のばね
（力勾配をばね定数とする）が加わった状態と考えるこ
とができる。力勾配の変化は、カンチレバーと試料の間
にはたらく力Ｆ０の実効的なばね定数の変化であり、カ
ンチレバーの共振特性を変化させる。したがって力勾配
の変化は、カンチレバーの振動振幅、位相、共振周波数
の変化として検出することができる。On the other hand, in the non-contact type AFM, the probe is brought closer to the sample preferably at a distance of about 10 −10 m to 10 −8 m and forcedly vibrated in the vicinity of the mechanical resonance frequency of the cantilever. At this distance, the force F 0 acting between the sample and the cantilever is given by (Equation 4), and the distance derivative (called force gradient) of the force F 0 acting between the sample and the cantilever is also determined by the distance. If the distance derivative of the force F 0 is regarded as one spring constant, in this state, in addition to the spring of the cantilever itself, the spring of the force F 0 that acts between the cantilever and the sample (the force gradient is the spring constant). ) Can be considered as a state in which. The change in the force gradient is a change in the effective spring constant of the force F 0 acting between the cantilever and the sample, and changes the resonance characteristic of the cantilever. Therefore, changes in the force gradient can be detected as changes in the vibration amplitude, phase, and resonance frequency of the cantilever.
【０００９】また非接触型ＡＦＭで、カンチレバーの振
幅が探針と試料間の距離と同程度となる、いわゆる大振
幅で探針を振動させる場合には、探針と試料との間には
たらく力の積分効果により、はたらく力そのものが、振
動振幅、位相、共振周波数の変化として検出されるよう
になる。In the non-contact type AFM, when the probe vibrates with a so-called large amplitude in which the amplitude of the cantilever is about the same as the distance between the probe and the sample, the force acting between the probe and the sample. Due to the integration effect of, the working force itself is detected as a change in vibration amplitude, phase, and resonance frequency.
【００１０】このように、力勾配と、はたらく力そのも
のは、それぞれが振動振幅、位相、共振周波数の変化を
もたらし、それぞれが寄与する割合は、探針−試料間距
離と、カンチレバーの振幅の比により連続的に変化す
る。また、探針−試料間距離に対してカンチレバーの振
幅の比が大きくなるほど、はたらく力そのものの影響が
大きくなる。As described above, the force gradient and the acting force themselves cause changes in the vibration amplitude, phase, and resonance frequency, and the ratios of the respective contributions are the ratio between the probe-sample distance and the cantilever amplitude. Changes continuously. Further, the larger the ratio of the amplitude of the cantilever to the distance between the probe and the sample, the greater the influence of the working force itself.
【００１１】非接触型ＡＦＭの特徴は、非接触であるた
めに試料−探針間での物質のやりとりがなく、また、共
振型検出法であるため、接触型ＡＦＭに比べより高感度
であることがあげられる。非接触ＡＦＭは次に示すよう
に、磁気力、静電気力、変位電流、あるいはトンネル電
流を原子間力と共に検出するのに適している。Since the non-contact type AFM is non-contact, there is no exchange of substances between the sample and the probe, and the resonance type detection method has higher sensitivity than the contact type AFM. Can be mentioned. The non-contact AFM is suitable for detecting a magnetic force, an electrostatic force, a displacement current, or a tunnel current together with an atomic force, as shown below.
【００１２】走査型磁気力顕微鏡（Scanning Magnetic
Force Microscopy、あるいはMagnetic Force Microscop
y、以下ＭＦＭと略称する）は磁性探針をもち、試料の
磁化との間にはたらく磁気力を検出することによって試
料表面の磁化分布を画像化する。ところが磁気力はファ
ンデルワールス力に比べてかなり小さく、接触型ＡＦＭ
が動作する領域でファンデルワールス力に隠れてしま
い、十分な信号対雑音比で測定することが難しい。そこ
でファンデルワールス力が試料と探針との間の距離が大
きくなるにつれて急激に減少するのに対し、磁気力は基
本的に距離の二乗で変化し、緩やかに減少することに着
目し、ファンデルワールス力が比較的小さくなる領域ま
で探針を試料から離して磁気力を測定する。磁気力は１
０−９Ｎ以下と微弱であるので、カンチレバーのたわみ
が小さく、測定が困難である。このため磁気力そのもの
ではなく、磁気力勾配を高感度の非接触ＡＦＭの原理で
測定することが好ましい。Scanning Magnetic Force Microscope
Force Microscopy, or Magnetic Force Microscop
y, hereinafter abbreviated as MFM) has a magnetic probe and images the magnetization distribution on the sample surface by detecting a magnetic force acting between the magnetic probe and the magnetization of the sample. However, the magnetic force is much smaller than the van der Waals force, and contact type AFM
Is hidden in the van der Waals force in the region where is operating, and it is difficult to measure with a sufficient signal-to-noise ratio. Therefore, the van der Waals force drastically decreases as the distance between the sample and the probe increases, while the magnetic force basically changes with the square of the distance and gradually decreases. The magnetic force is measured by moving the probe away from the sample to a region where the Delwar force is relatively small. Magnetic force is 1
0 -9 since N is less and weak, the deflection of the cantilever is small, it is difficult to measure. Therefore, it is preferable to measure not the magnetic force itself but the magnetic force gradient by the principle of the highly sensitive non-contact AFM.
【００１３】MFMは超高密度記録の再生手段として用い
ることができる。例えば電子情報通信学会論文誌Ｃ−II
No.11 pp600-610 (1992年)には、ＭＦＭの探針を磁界
源としてポイント記録し、ＭＦＭの原理で再生する方法
が提案されている。The MFM can be used as a reproducing means for ultra high density recording. For example, IEICE Transactions C-II
No. 11 pp600-610 (1992) proposes a method of performing point recording by using an MFM probe as a magnetic field source and reproducing by the principle of MFM.
【００１４】静電気力もまた磁気力の場合と同様に距離
の二乗で変化するため、非接触のＡＦＭの原理で測定す
ることが好ましい。半導体デバイスなど表面に配線パタ
ーンを施した試料に電圧信号を印加した状態で、導電性
探針との間にはたらく静電気力やその力勾配を画像化す
ることによって、配線パターンの断線などで信号が伝わ
っていない領域を凹凸像と同時に調べることができる。
さらには、探針と試料との間に電圧Ｖ１を加えると、探
針および試料に電荷を誘起し、この誘起される電荷によ
って、試料表面の特性を調べることができる。探針と試
料の間に力がはたらかないＶ１＝Ｖ２となる探針の電圧
Ｖ１を見出せば、探針が対向している試料表面の電位を
知ることができる。Since the electrostatic force also changes with the square of the distance as in the case of the magnetic force, it is preferable to measure by the principle of non-contact AFM. While applying a voltage signal to a sample with a wiring pattern on its surface such as a semiconductor device, by imaging the electrostatic force acting between it and the conductive probe and its force gradient, the signal can be detected by disconnection of the wiring pattern. It is possible to examine the area that is not transmitted at the same time as the uneven image.
Furthermore, when a voltage V 1 is applied between the probe and the sample, an electric charge is induced in the probe and the sample, and the characteristic of the sample surface can be examined by the induced electric charge. By finding the voltage V 1 of the probe at which V 1 = V 2 where no force is applied between the probe and the sample, the potential of the sample surface facing the probe can be known.
【００１５】[0015]
【発明が解決しようとする課題】ところで探針と試料の
間には、（数２）で与えられる静電気力がはたらく。こ
のため、探針をカンチレバーの先端部に取りつけて試料
表面に近接対向させて振動させ、その振動を検出して、
試料表面と探針との間にはたらく力や力勾配を検出する
上記装置においては、電圧Ｖ１を変化させると、（数
２）で与えられる探針と試料の間にはたらく力が変化
し、カンチレバーのたわみが変化し、振動振幅、位相、
共振周波数が変化することになる。（数２）におけるＶ
１−Ｖ２が大きくなり、カンチレバーのたわみ量が大き
くなった場合には、探針か試料表面に過度に接近し、あ
るいは接触する可能性がある。こうした過度の接近や接
触を防ぐ必要から、探針に与えることのできる電圧Ｖ１
が制限されるという問題があった。The electrostatic force given by (Equation 2) acts between the probe and the sample. For this reason, the probe is attached to the tip of the cantilever, and it is caused to vibrate by making it closely face the sample surface and detect the vibration.
In the above device for detecting the force or force gradient acting between the sample surface and the probe, when the voltage V 1 is changed, the force acting between the probe and the sample given by (Equation 2) changes, Deflection of the cantilever changes, vibration amplitude, phase,
The resonant frequency will change. V in (Equation 2)
When 1− V 2 becomes large and the amount of deflection of the cantilever becomes large, there is a possibility that the probe or the sample surface will come too close to or in contact with the sample surface. Since it is necessary to prevent such excessive approach and contact, the voltage V 1 that can be applied to the probe
There was a problem that was limited.
【００１６】また、（数２）で与えられる静電気力は探
針の電圧Ｖ１に依存することから、測定中に探針電圧Ｖ
１の平均値を変化させた際に、Ｖ１の平均値の変化に起
因した力勾配が加わるので、探針に加わった力勾配を一
定に保つように探針と試料表面間の距離を制御している
場合には、探針電圧Ｖ１の平均値の変化に起因して探針
と試料表面間の距離が変化してしまい、変位電流、トン
ネル電流、試料の表面電位、磁気力などを、探針と試料
表面との距離を同じ条件にして、正確に測定することが
制限されるという問題があった。Since the electrostatic force given by (Equation 2) depends on the voltage V 1 of the probe, the probe voltage V
When the average value of 1 is changed, a force gradient due to the change of the average value of V 1 is added. Therefore, the distance between the probe and the sample surface is controlled so that the force gradient applied to the probe is kept constant. In this case, the distance between the probe and the sample surface changes due to the change in the average value of the probe voltage V 1 , and the displacement current, tunnel current, surface potential of the sample, magnetic force, etc. However, there is a problem that accurate measurement is limited under the same condition of the distance between the probe and the sample surface.
【００１７】本発明はこうした課題を解決し、探針と試
料の間の電位差についての制限を除くとともに、カンチ
レバーを振動させた際の力勾配の測定と変位電流の測定
を精度よく、しかも安定して行うことのできる力勾配検
出装置を提供し、さらにこの力勾配検出を用いた情報再
生装置を提供するものである。The present invention solves these problems, removes the limitation on the potential difference between the probe and the sample, and accurately and stably measures the force gradient and the displacement current when the cantilever is vibrated. The present invention provides a force gradient detecting device that can be performed by using the force gradient detecting device, and further provides an information reproducing device using the force gradient detecting device.
【００１８】[0018]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料表面に近接
対向する探針と、自由端の一方の面に前記探針を備え、
導電性を有するカンチレバーと、カンチレバーを振動さ
せる振動手段と、カンチレバーの探針を取りつけた面と
は反対側の面に対向し距離を設けて配置され、カンチレ
バーとの間に電位差を有する補償電極と、カンチレバー
の振動の周波数、振幅または位相を検出する振動検出装
置と、探針を試料に対して相対的に移動する移動手段と
を備えたことを特徴とする。In order to achieve the above object, a scanning probe microscope of the present invention comprises a probe that closely opposes a sample surface and the probe on one surface of a free end,
A conductive cantilever, a vibrating means for vibrating the cantilever, and a compensating electrode having a potential difference between the cantilever and a surface opposite to the surface on which the probe of the cantilever is attached, the surface facing away from the surface. A vibration detecting device for detecting the frequency, amplitude or phase of the vibration of the cantilever, and a moving means for moving the probe relative to the sample.
【００１９】本発明の走査型プローブ顕微鏡において、
探針には磁性を有するものを用い、探針と試料との間の
磁気力の勾配の検出を可能にすることができる。In the scanning probe microscope of the present invention,
A magnetic probe can be used to enable detection of the gradient of the magnetic force between the probe and the sample.
【００２０】また本発明の走査型プローブ顕微鏡におい
て、探針と試料との間に電圧を印加する電圧印加手段を
備え、探針と試料との間の静電気力の力勾配を検出可能
にすることができる。In the scanning probe microscope of the present invention, voltage applying means for applying a voltage between the probe and the sample is provided so that the force gradient of the electrostatic force between the probe and the sample can be detected. You can
【００２１】さらに本発明の走査型プローブ顕微鏡は、
探針と試料との間に電圧を印加することによって試料に
流れる電流を変位電流とトンネル電流とに分離して検出
する電流分離検出手段を備えることができる。Further, the scanning probe microscope of the present invention comprises
A current separation detection unit that separates and detects a current flowing through the sample into a displacement current and a tunnel current by applying a voltage between the probe and the sample can be provided.
【００２２】本発明の走査型プローブによれば、平均電
圧成分と周期的に変化させる電圧成分からなる探針電圧
Ｖ１の平均値成分を前記の周期よりもゆっくりと変化さ
せた場合に、探針と試料表面の平均距離が変化すること
を防ぎ、安定して測定を行うことができ、探針と試料と
の接触を防ぐための電圧Ｖ１の制限が解除されるので、
カンチレバーを振動させた際の力勾配の測定と表面電位
と磁気力と変位電流とトンネル電流の測定を精度よくし
かも安定して行うことができる。このため、カンチレバ
ーと試料表面の間にはたらく静電気力の勾配の検出や、
力勾配測定と同時にカンチレバーと試料表面の間に流れ
るトンネル電流と変位電流を同時に分離計測すること
や、半導体を有する基板のキャリア濃度分布の観察を容
易かつ精度よく行えるようになった。According to the scanning probe of the present invention, when the average value component of the probe voltage V 1 consisting of the average voltage component and the periodically changing voltage component is changed more slowly than the above period, Since the average distance between the needle and the sample surface is prevented from changing, stable measurement can be performed, and the limitation of the voltage V 1 for preventing the contact between the probe and the sample is released,
It is possible to measure the force gradient when the cantilever is oscillated and the surface potential, magnetic force, displacement current, and tunnel current accurately and stably. Therefore, detecting the gradient of electrostatic force acting between the cantilever and the sample surface,
Simultaneously with the force gradient measurement, the tunnel current and the displacement current flowing between the cantilever and the sample surface can be separately measured at the same time, and the carrier concentration distribution of the substrate having a semiconductor can be observed easily and accurately.
【００２３】本発明の情報再生装置は、磁気記録媒体
と、磁気記録媒体表面に近接対向し磁性を有する探針
と、自由端の一方の面に前記探針を備え、導電性を有す
るカンチレバーと、カンチレバーを振動させる振動手段
と、カンチレバーの探針を取りつけた面とは反対側の面
に対向し距離を設けて配置され、カンチレバーとの間に
電位差を有する補償電極と、カンチレバーの振動の周波
数、振幅または位相を検出する振動検出装置と、探針と
磁気記録媒体との距離を制御する手段と、カンチレバー
を駆動して探針を磁気記録媒体の表面の所定の情報が記
録された位置に対向させる探針駆動手段とを備えたこと
を特徴とする。The information reproducing apparatus of the present invention comprises a magnetic recording medium, a magnetic probe that closely faces the surface of the magnetic recording medium, and a magnetic cantilever, and a conductive cantilever provided with the probe on one surface of the free end. , A vibrating means for vibrating the cantilever, a compensating electrode having a potential difference between the vibrating means and a surface of the cantilever opposite to the surface on which the probe is mounted, and having a potential difference between the cantilever and the frequency of the cantilever vibration. , A vibration detecting device for detecting amplitude or phase, means for controlling the distance between the probe and the magnetic recording medium, and driving the cantilever to move the probe to a position on the surface of the magnetic recording medium where predetermined information is recorded. The probe driving means is provided so as to face each other.
【００２４】本発明の情報再生装置により、磁気媒体に
微小に磁化されて記録された情報信号の再生を、高感度
で安定に行うことができる。With the information reproducing apparatus of the present invention, it is possible to stably reproduce with high sensitivity an information signal that is minutely magnetized and recorded on a magnetic medium.
【００２５】本発明によればカンチレバーの試料または
磁気記録媒体と対向した面に補助電極が存在するので、
カンチレバーとこの補償電極との間の静電容量をＣ２と
すれば、クーロン相互作用のエネルギーはｗ４（ｚ２）
＝−（１/２）C２（V３−V４）2で表される。ただし、
ただし、ｚ２は探針と電極の間の距離であり、Ｖ３は補
償電極を基準としてカンチレバーに外部回路から加える
電圧、Ｖ４はカンチレバーと試料または磁気記録媒体と
の間の接触電位差である。したがって、電荷に起因した
クーロン力Ｆ４は、According to the present invention, since the auxiliary electrode exists on the surface of the cantilever facing the sample or the magnetic recording medium,
Assuming that the capacitance between the cantilever and this compensation electrode is C 2 , the energy of Coulomb interaction is w 4 (z 2 )
= - (1/2) represented by C 2 (V 3 -V 4) 2. However,
Where z 2 is the distance between the probe and the electrode, V 3 is the voltage applied from the external circuit to the cantilever with reference to the compensation electrode, and V 4 is the contact potential difference between the cantilever and the sample or the magnetic recording medium. . Therefore, the Coulomb force F 4 due to the charge is
【数５】
となる。このクーロン力Ｆ４は、（数４）のＦ２などと
は逆向きにはたらく力である。したがってカンチレバー
にはたらく力Ｆ０は、（数４）のＦ０から（数５）に示
された力Ｆ４を差し引いたものと等しく、[Equation 5] Becomes This Coulomb force F 4 is a force that works in the opposite direction to F 2 of (Equation 4) and the like. Therefore the force F 0 exerted on the cantilever is equal to minus the force F 4 shown in equation (5) from the F 0 of formula (4),
【数６】 となる。[Equation 6] Becomes
【００２６】（数６）において、補償電極とカンチレバ
ー間のクーロン力Ｆ４は、ファンデルワールス力Ｆ１、
電位差を有する試料−カンチレバー間にはたらくクーロ
ン力Ｆ２、試料とカンチレバーの磁荷間にはたらくクー
ロン力Ｆ３とは独立に加えることができる力である。In (Equation 6), the Coulomb force F 4 between the compensation electrode and the cantilever is the van der Waals force F 1 ,
The Coulomb force F 2 acting between the sample and the cantilever having a potential difference and the Coulomb force F 3 acting between the magnetic charge of the sample and the cantilever are forces that can be independently applied.
【００２７】（数２）と（数５）に示されている外部か
ら電圧を加えることにより発生するクーロン力Ｆ２とＦ
４はともに試料とカンチレバーの間にはたらく引力であ
り、補償電極はカンチレバーに対し試料とは反対の側、
即ちカンチレバーの背面側に配置されているので、この
クーロン力Ｆ４は、カンチレバーと試料とを接近させる
クーロン力Ｆ２を補償し、試料と探針との間の距離を遠
ざける力として有用である。従って試料と探針やカンチ
レバーとの電圧を変化させることによって、試料とカン
チレバーとの間のクーロン力が変化しても、この補償電
極に電圧を加え補償電極とカンチレバーとの間のクーロ
ン力によってその変化分を補償することができるため、
探針に加わる力勾配などの変化分を感度良く測定するこ
とができる。このためカンチレバーのばね定数が小さい
場合のみならず、大きい場合にも感度を高めることがで
きる。これによって、力勾配、表面電位、磁気力などの
測定を精度よく行なうことができる。Coulomb forces F 2 and F generated by applying an external voltage shown in (Equation 2) and (Equation 5).
4 is an attractive force acting between the sample and the cantilever, the compensating electrode is on the side opposite to the sample with respect to the cantilever,
That is, since it is arranged on the back side of the cantilever, this Coulomb force F 4 compensates for the Coulomb force F 2 that brings the cantilever and the sample closer to each other, and is useful as a force for separating the distance between the sample and the probe. . Therefore, even if the Coulomb force between the sample and the cantilever is changed by changing the voltage between the sample and the probe or the cantilever, a voltage is applied to this compensation electrode and the Coulomb force between the compensation electrode and the cantilever changes the voltage. Because the change can be compensated,
It is possible to measure with high sensitivity the variation such as the force gradient applied to the probe. Therefore, the sensitivity can be enhanced not only when the cantilever has a small spring constant but also when it has a large spring constant. This makes it possible to accurately measure the force gradient, surface potential, magnetic force, and the like.
【００２８】[0028]
【発明の実施の形態】（実施例１）凹凸像 図１は本発
明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施例における構成
を模式的に示した図である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION (Embodiment 1) Concavo-convex image FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention.
【００２９】図１において、弾性を持つカンチレバー１
の先端には探針２が取り付けられている。非導電性のカ
ンチレバーには、金、白金、タングステン、コバルト、
ニッケル、クロム、チタン、炭化物などの導電性を有す
る物質をコーティングして導電性を与えて用いる。カン
チレバーとしてシリコンを用いる場合には、不純物をド
ープして導電性を向上させたり、カンチレバーに光を照
射することにより、シリコン中のキャリア濃度を向上さ
せて用いてもよい。探針２は試料３の表面に近接して非
接触で配置され、試料表面からの力によってカンチレバ
ーに微小な撓みを与えるように構成されている。In FIG. 1, a cantilever 1 having elasticity
A probe 2 is attached to the tip of the. Non-conductive cantilevers include gold, platinum, tungsten, cobalt,
A material having conductivity such as nickel, chromium, titanium, or carbide is coated to provide conductivity, and then used. When silicon is used as the cantilever, the conductivity may be improved by doping impurities, or the carrier concentration in silicon may be improved by irradiating the cantilever with light. The probe 2 is disposed in close proximity to the surface of the sample 3 in a non-contact manner, and is configured to give a slight bending to the cantilever by the force from the sample surface.
【００３０】カンチレバー１の後端の保持部には、圧電
素子５が取り付けられている。この圧電素子５には振幅
調整器２１からの発振出力信号が供給され、この圧電素
子５を通じて、カンチレバー１は固有振動数で加振され
る。A piezoelectric element 5 is attached to the holding portion at the rear end of the cantilever 1. An oscillation output signal from the amplitude adjuster 21 is supplied to the piezoelectric element 5, and the cantilever 1 is vibrated at the natural frequency through the piezoelectric element 5.
【００３１】カンチレバー１の背面側、即ち試料面側と
反対の側には、補償電極２３が離間されて配置されてい
る。この補償電極２３は、カンチレバー１とは電気的に
絶縁され、電圧源２４が接続されており、この電圧源２
４によってカンチレバー１との間に電圧を与えてカンチ
レバー１に対し補償電極側への引力を与え、試料３とカ
ンチレバーとの間にはたらく引力を補償する。On the back surface side of the cantilever 1, that is, on the side opposite to the sample surface side, a compensating electrode 23 is arranged separately. The compensating electrode 23 is electrically insulated from the cantilever 1 and is connected to a voltage source 24.
A voltage is applied between the cantilever 1 and the cantilever 1 by 4 to apply an attractive force to the compensating electrode side of the cantilever 1 to compensate the attractive force acting between the sample 3 and the cantilever.
【００３２】光源６からレーザ光などの光がカンチレバ
ー1の背面にフォーカスするように照射され、この背面
からの反射光が光検出器７に入射し、光源６、カンチレ
バー１および光検出器７により、光てこ方式のカンチレ
バー１の変位の検出系が構成されている。この光てこ方
式の変位検出系は、探針２と試料３との間の原子間力に
よってカンチレバー１が撓むと、反射角が変化してカン
チレバー１から離れた位置に置かれた光検出器７の照射
位置が変化し、この照射位置の変化によりカンチレバー
１の撓み量を電気的に検出することが可能である。ま
た、原子間力によるカンチレバー１の撓みは、共振状態
にあるカンチレバーの振動周波数を変化させる。なお、
上記振動の検出には、光ファイバ光干渉装置を用いても
よい。Light such as laser light is emitted from the light source 6 so as to focus on the back surface of the cantilever 1, and the reflected light from this back surface enters the photodetector 7, and the light source 6, the cantilever 1 and the photodetector 7 An optical lever type cantilever 1 displacement detection system is configured. In this optical lever type displacement detection system, when the cantilever 1 is bent by the atomic force between the probe 2 and the sample 3, the reflection angle changes and the photodetector 7 placed at a position away from the cantilever 1. The irradiation position of the cantilever 1 changes, and the amount of bending of the cantilever 1 can be electrically detected by the change of the irradiation position. Further, the bending of the cantilever 1 due to the interatomic force changes the vibration frequency of the cantilever in the resonance state. In addition,
An optical fiber optical interference device may be used to detect the vibration.
【００３３】図１において、光源6からの光がカンチレ
バー１に当って反射し、その反射光が光検出器７によっ
て検出され、この光検出器７の出力が前置増幅器８によ
って適当な大きさの振幅に増幅される。In FIG. 1, the light from the light source 6 strikes the cantilever 1 and is reflected, and the reflected light is detected by the photodetector 7, and the output of the photodetector 7 is adjusted by the preamplifier 8 to an appropriate size. Is amplified to the amplitude of.
【００３４】図１においては、光検出器７の出力は前置
増幅器８で振幅が増幅された後、位相調整器１９により
位相調整が行なわれる。この位相調整は、圧電素子５−
光検出器７−前置増幅器８−位相調整器１９−波形変換
器２０−振幅調整器（アッテネータ）２１からなる発振
系が、最適の正帰還をカンチレバーを加振する圧電素子
５に対して行なうように位相調整されるものである。位
相調整器１９により位相調整された信号は、波形変換器
２０（例えばコンパレータなど）により、所定の振幅
（例えば電源電圧）の方形波に変換されて、参照波が形
成される。この場合にこの参照波が予期しないカンチレ
バー１の振幅の変化に対しても変化しない程度に前置増
幅器８のゲインを調整しておく。In FIG. 1, the amplitude of the output of the photodetector 7 is amplified by the preamplifier 8 and then the phase is adjusted by the phase adjuster 19. This phase adjustment is performed by the piezoelectric element 5-
An oscillation system including a photodetector 7, a preamplifier 8, a phase adjuster 19, a waveform converter 20, and an amplitude adjuster (attenuator) 21 performs optimum positive feedback to the piezoelectric element 5 that excites the cantilever. The phase is adjusted as follows. The signal whose phase has been adjusted by the phase adjuster 19 is converted by the waveform converter 20 (for example, a comparator) into a square wave having a predetermined amplitude (for example, power supply voltage) to form a reference wave. In this case, the gain of the preamplifier 8 is adjusted so that the reference wave does not change even when the amplitude of the cantilever 1 changes unexpectedly.
【００３５】この参照波は、振幅調整器２１において抵
抗分割などの方法により、カンチレバー１の振動振幅が
適当な大きさになるように加振用圧電素子５に印加する
電圧振幅が設定される。このように設定された発振系に
よってカンチレバー１は加振振幅が一定に保持され、か
つカンチレバー１の固有振動数で振動する。The amplitude of the reference wave is set by the amplitude adjuster 21 by a method such as resistance division so that the vibration amplitude of the cantilever 1 becomes an appropriate magnitude and is applied to the vibrating piezoelectric element 5. The oscillation system thus set maintains the vibration amplitude of the cantilever 1 at a constant level and vibrates at the natural frequency of the cantilever 1.
【００３６】他方、波形変換器２０からの参照波はＦ／
Ｖ変換器に入力され、その周波数の変化に対応した電圧
に変換される。このＦ／Ｖ変換器２２の出力は誤差増幅
器１１に供給され、この誤差増幅器１１において参照電
圧Ｖにより設定された一定電圧、即ち固有振動数とのず
れを一定に保つようにフィルタ１２およびＺ電圧素子駆
動電源１３を介して圧電素子４のＺ方向の変位にフィー
ドバックされる。そしてフィルタ１２はこのフィードバ
ック回路を安定させ、その出力が試料３の凹凸像の信号
となる。On the other hand, the reference wave from the waveform converter 20 is F /
It is input to the V converter and converted into a voltage corresponding to the change in the frequency. The output of the F / V converter 22 is supplied to the error amplifier 11, and in the error amplifier 11, a constant voltage set by the reference voltage V, that is, the filter 12 and the Z voltage so as to keep the deviation from the natural frequency constant. It is fed back to the displacement of the piezoelectric element 4 in the Z direction via the element driving power supply 13. Then, the filter 12 stabilizes this feedback circuit, and its output becomes a signal of the uneven image of the sample 3.
【００３７】この凹凸像を観察する部分はＦ／Ｖ変換器
を用いた非接触原子間力顕微鏡であり、前置増幅器８の
出力がカンチレバー１にはたらく力を検出しており、Ｆ
／Ｖ変換器２２の出力がカンチレバー１にはたらく力の
勾配（周波数シフト）を検出している。The portion for observing this uneven image is a non-contact atomic force microscope using an F / V converter, and the output of the preamplifier 8 detects the force acting on the cantilever 1, and
The output of the / V converter 22 detects the gradient of the force (frequency shift) acting on the cantilever 1.
【００３８】このようにして探針２と試料３との間には
たらく力勾配を一定に保つ制御を行いながら、圧電素子
４にＸ，Ｙ方向の走査信号を与えて試料３を２次元走査
することによって、試料３の表面の凹凸画像を表示する
ことができる。In this way, while controlling the force gradient acting between the probe 2 and the sample 3 to be constant, the X- and Y-direction scanning signals are given to the piezoelectric element 4 to scan the sample 3 two-dimensionally. As a result, an uneven image of the surface of the sample 3 can be displayed.
【００３９】補償電極２３を接地電位とし、また試料３
も接地電位とすることによって、加算器１８からの出力
が電位として加わるカンチレバーと補償電極２３との間
に、探針２と試料との間と同じ一定の探針電圧Ｖ１を加
えながら凹凸像を観察したところ、補償電極２３を設け
ない場合と比較して、補償電極２３を設けた方が（数
２）で表されるクーロン力によってカンチレバーが引か
れるのを、（数４）によって表されるクーロン力によっ
て逆方向に引くことができるため、力の補償が可能とな
り、詳細な凹凸像を得ることができた。また、カンチレ
バーと補償電極の間に、探針を試料とは逆方向に引くよ
うな電圧V３を加えることにより、クーロン力を打ち消
した場合には、この補償効果が大きくなるので、さらに
良好な凹凸像を得ることができた。また、補償電極２３
をカンチレバー１に近接させた場合には、カンチレバー
と補償電極との間の静電容量が大きくなるため、（数
４）で表されるクーロン力が大きくなり、電圧Ｖ３の大
きさを小さくすることが可能となり、試料と同電位にし
た際にも、良好な凹凸像が得やすかった。The compensating electrode 23 is set to the ground potential, and the sample 3
Also by setting the same to the ground potential, the uneven image is applied between the cantilever to which the output from the adder 18 is applied as a potential and the compensation electrode 23 while applying the same constant probe voltage V 1 as between the probe 2 and the sample. As compared with the case where the compensation electrode 23 is not provided, it is shown by (Equation 4) that the cantilever is pulled by the Coulomb force represented by (Equation 2) when the compensation electrode 23 is provided. Since it can be pulled in the opposite direction by the Coulomb force, the force can be compensated and a detailed uneven image can be obtained. In addition, when the Coulomb force is canceled by applying a voltage V 3 that pulls the probe in the direction opposite to the sample between the cantilever and the compensating electrode, this compensating effect becomes large, so that it is even better. The uneven image could be obtained. In addition, the compensation electrode 23
When is brought close to the cantilever 1, the electrostatic capacity between the cantilever and the compensation electrode becomes large, so that the Coulomb force expressed by (Equation 4) becomes large and the magnitude of the voltage V 3 is made small. It was possible to obtain a good relief image even when the potential was the same as that of the sample.
【００４０】（実施例２）表面電位像 図１において、
Ｆ／Ｖ変換器２２の出力信号は第1および第2のロックイ
ン増幅器１４、１５に入力される。誤差増幅器１７には
第１のロックイン増幅器１４で検出されたω成分が入力
され、誤差増幅器１７からはこのω成分がゼロとなるDC
電圧Ｖｄｃが出力され、このDC電圧Ｖｄｃが発振器１６
の交流電圧とともに加算器１８を介してカンチレバー１
にフィードバックされ、試料３の表面電位と探針２の先
端の電位とが同電位に保たれるとともに、DC電圧Ｖｄｃ
が試料３の表面電位となり、探針２と試料3との間には
たらく力勾配を一定に保つ制御を行いながら圧電素子4
にＸ，Ｙ方向の走査信号を与えて試料３を２次元走査す
ることによって、試料３の表面の凹凸画像と表面電位像
が図示されていない画像表示装置にそれぞれ表示され
る。また、第２のロックイン増幅器１５で検出された２
ω成分の信号により、探針２−試料３間の容量に関係し
た情報の画像が画像表示装置に凹凸像と表面電位像と同
時に表示される。Example 2 Surface Potential Image In FIG.
The output signal of the F / V converter 22 is input to the first and second lock-in amplifiers 14 and 15. The ω component detected by the first lock-in amplifier 14 is input to the error amplifier 17, and the ω component becomes zero from the error amplifier 17.
The voltage V dc is output, and this DC voltage V dc is generated by the oscillator 16
Cantilever 1 via adder 18 with the AC voltage of
To maintain the surface potential of the sample 3 and the potential of the tip of the probe 2 at the same potential, and the DC voltage V dc
Becomes the surface potential of the sample 3, and the piezoelectric element 4 is controlled while controlling the force gradient acting between the probe 2 and the sample 3 to be constant.
By applying scanning signals in the X and Y directions to the sample 3 and scanning the sample 3 two-dimensionally, an uneven image of the surface of the sample 3 and a surface potential image are displayed on an image display device (not shown). In addition, 2 detected by the second lock-in amplifier 15
By the signal of the ω component, an image of information related to the capacitance between the probe 2 and the sample 3 is displayed on the image display device at the same time as the unevenness image and the surface potential image.
【００４１】次に、補償電極２３に電圧源２４を用いて
電圧を加え、カンチレバーの振動を止めた際に探針２に
電圧が加えられてもカンチレバー１が変位しないように
することを行なった。カンチレバー１の変位は光検出器
の直流出力を検出することにより確認することができ
た。カンチレバー１が変位しないようにするために、探
針２の電圧に対応した電圧を電圧源２４により補償電極
２３に加えるようにした。この場合に電圧源２４の角周
波数（即ち応答の早さ）が、カンチレバー１の電圧の交
流成分の角周波数よりも低く、直流電圧成分によるカン
チレバーの変位のみを防ぐことができた。このように、
電圧源２４を用いて補償電極に電圧を加えることによ
り、補償電極２３を接地しただけの場合よりも、凹凸像
のクーロン力による変位と探針と試料の衝突とを、より
効果的に防ぐことができた。Next, a voltage is applied to the compensation electrode 23 by using a voltage source 24 so that the cantilever 1 is not displaced even if a voltage is applied to the probe 2 when the vibration of the cantilever is stopped. . The displacement of the cantilever 1 could be confirmed by detecting the DC output of the photodetector. In order to prevent the cantilever 1 from being displaced, a voltage corresponding to the voltage of the probe 2 is applied to the compensation electrode 23 by the voltage source 24. In this case, the angular frequency of the voltage source 24 (that is, the speed of response) is lower than the angular frequency of the AC component of the voltage of the cantilever 1, and it was possible to prevent only the displacement of the cantilever due to the DC voltage component. in this way,
By applying a voltage to the compensation electrode using the voltage source 24, it is possible to more effectively prevent the displacement of the uneven image due to the Coulomb force and the collision between the probe and the sample, as compared with the case where the compensation electrode 23 is grounded. I was able to.
【００４２】ところで、電圧源２４を用いることによ
り、補償電極２３を用いてカンチレバーの電圧Ｖ１に起
因した変位を防ぐことは、カンチレバーに加わるクーロ
ン力を減ずることに相当するが、カンチレバー先端の探
針と試料表面間に加わるクーロン力を減ずることにはな
らない。即ち、クーロン力は（数２）、（数３）から明
らかなように、静電容量の距離微分に比例するので、試
料表面と探針の距離が、探針と補償電極の距離よりも小
さい配置となっているときには、探針と試料表面間のク
ーロン力の変化は検出することができる。さらには、カ
ンチレバーと試料表面の間に加わるクーロン力は、補償
電極とカンチレバー間のクーロン力で減ずることができ
る。従って、補償電極にカンチレバーの電圧Ｖ１に対応
した電圧を加えると、探針と試料表面間のクーロン力を
感度良く捉えることができるので、表面電位像が良好と
なる。By the way, using the voltage source 24 to prevent the displacement caused by the voltage V 1 of the cantilever by using the compensating electrode 23 corresponds to reducing the Coulomb force applied to the cantilever. It does not reduce the Coulomb force applied between the needle and the sample surface. That is, as is apparent from (Equation 2) and (Equation 3), the Coulomb force is proportional to the distance derivative of the electrostatic capacitance, so that the distance between the sample surface and the probe is smaller than the distance between the probe and the compensation electrode. When arranged, the change in Coulomb force between the probe and the sample surface can be detected. Furthermore, the Coulomb force applied between the cantilever and the sample surface can be reduced by the Coulomb force between the compensation electrode and the cantilever. Therefore, when a voltage corresponding to the voltage V 1 of the cantilever is applied to the compensation electrode, the Coulomb force between the probe and the sample surface can be captured with high sensitivity, and the surface potential image becomes good.
【００４３】（実施例３）トンネル電流と変位電流測定
図１の構成の走査型プローブ顕微鏡において、探針２
に電圧を加え、探針と試料との距離を周期的に変化させ
た際に試料３に流れる電流を、前置増幅器２５に入力し
て増幅し、２位相ロックイン増幅器２６に入力する。こ
の際に試料３に流れる電流は、変位電流とトンネル電流
が重畳されたものとなる。トンネル電流は距離依存性が
大きいので、探針２と試料３との距離が周期的に変化す
る際に、距離が最小に近づいたときに集中的に流れる。
これに対し変位電流は探針２と試料３との間の容量の変
化に伴って流れるので、距離か最大または最小の瞬間に
はその変化率がゼロになり変位電流がゼロになる。この
ため、２位相ロックイン増幅器２６に探針２の振動と同
期した参照信号を入力することにより、変位電流像信号
とトンネル電流像信号とが分離でき、それぞれの電流に
比例した出力信号を得ることができる。Example 3 Measurement of Tunnel Current and Displacement Current In the scanning probe microscope having the configuration shown in FIG.
A voltage is applied to the sample, and the current flowing in the sample 3 when the distance between the probe and the sample is periodically changed is input to the preamplifier 25, amplified, and input to the two-phase lock-in amplifier 26. At this time, the current flowing through the sample 3 is a combination of the displacement current and the tunnel current. Since the tunnel current has a large distance dependency, when the distance between the probe 2 and the sample 3 changes periodically, the tunnel current intensively flows when the distance approaches the minimum.
On the other hand, since the displacement current flows with a change in the capacitance between the probe 2 and the sample 3, the rate of change becomes zero and the displacement current becomes zero at the distance or the maximum or minimum instant. Therefore, by inputting the reference signal synchronized with the vibration of the probe 2 to the two-phase lock-in amplifier 26, the displacement current image signal and the tunnel current image signal can be separated, and an output signal proportional to each current is obtained. be able to.
【００４４】なお、変位電流を測定する際には、圧電素
子４と圧電素子５は、接地電位に接続された電気シール
ドによって囲まれていることが好ましい。また圧電素子
５の電気シールドの電位は、補助電極２３と同電位であ
ってもよい。When measuring the displacement current, the piezoelectric element 4 and the piezoelectric element 5 are preferably surrounded by an electric shield connected to the ground potential. The electric shield of the piezoelectric element 5 may have the same electric potential as the auxiliary electrode 23.
【００４５】次に図１の構成の走査型プローブ顕微鏡に
より、探針２と試料３との間にはたらく力勾配を一定に
保つ制御を行いながら圧電素子４にＸ，Ｙ方向の走査信
号を与えて試料３を２次元走査することによって、試料
３の表面の凹凸像と変位電流像とトンネル電流像の同時
観察を行なった。変位電流像を観察するために、加算器
の出力の一部である交流電圧成分Vａｃを常に０とし
た。このため、第１のロックイン増幅器１４、第２のロ
ックイン増幅器１５、発振器／振幅調整器１６、誤差増
幅器１７は使用しなかった。また加算器１８のＤＣ出力
は必要に応じて変化させた。Next, the scanning probe microscope having the configuration shown in FIG. 1 is used to apply scanning signals in the X and Y directions to the piezoelectric element 4 while controlling the force gradient acting between the probe 2 and the sample 3 to be constant. The three-dimensional scanning of the sample 3 was performed to simultaneously observe the unevenness image, the displacement current image, and the tunnel current image of the surface of the sample 3. In order to observe the displacement current image, the AC voltage component V ac , which is a part of the output of the adder, was always set to zero. Therefore, the first lock-in amplifier 14, the second lock-in amplifier 15, the oscillator / amplitude adjuster 16, and the error amplifier 17 were not used. Further, the DC output of the adder 18 was changed as needed.
【００４６】探針２にＤＣ電圧が加わった際に試料３に
は、探針２と試料３の間の静電容量の変化に起因した変
位電流と、探針２が試料３に近づいた領域ではトンネル
電流が流れる。この二つの電流が重畳された信号は、前
置増幅器２５で増幅され、２位相のロックイン増幅器２
６で、変位電流像とトンネル電流像に分離計測すること
ができた。When a DC voltage is applied to the probe 2, the sample 3 has a displacement current due to a change in capacitance between the probe 2 and the region where the probe 2 approaches the sample 3. Then the tunnel current flows. The signal in which the two currents are superposed is amplified by the preamplifier 25, and the two-phase lock-in amplifier 2 is amplified.
In 6, it was possible to separately measure the displacement current image and the tunnel current image.
【００４７】この3種の像の同時観察では、まず、補償
電極２３を接地電位とし、また試料も接地電位とするこ
とによって、加算器１８からの出力が加わるカンチレバ
ーと補償電極２３との間に電位差を持たせた。その結
果、補償電極２３は、加振用の圧電素子に加えられる交
流電圧を電気的にシールドするので、変位電流成分を検
出する精度が向上することが確認できた。また実施例１
の場合と同様に、探針２が試料３に引かれて近づくのを
防ぐことができた。また探針に加えられる電圧により、
凹凸像が変化するのを防ぐことができ、さらに探針２が
試料３に接触するのを防ぐことができた。この効果は、
ばね定数が小さいカンチレバー１を用いたときに特に顕
著であった。In the simultaneous observation of these three types of images, first, the compensating electrode 23 is set to the ground potential and the sample is also set to the ground potential so that the output from the adder 18 is applied between the cantilever and the compensating electrode 23. There was a potential difference. As a result, the compensating electrode 23 electrically shields the AC voltage applied to the piezoelectric element for vibration, and thus it has been confirmed that the accuracy of detecting the displacement current component is improved. Example 1
In the same manner as in the above case, it was possible to prevent the probe 2 from being pulled and approaching the sample 3. Also, depending on the voltage applied to the probe,
It was possible to prevent the unevenness image from changing, and it was possible to prevent the probe 2 from coming into contact with the sample 3. This effect is
This was particularly remarkable when the cantilever 1 having a small spring constant was used.
【００４８】次に、補償電極２３に電圧源２４を用いて
電圧を加え、カンチレバーの振動を止めた際に探針２に
電圧が加えられてもカンチレバー１が変位しないように
することを行なった。カンチレバー１の変位は光検出器
のＤＣ出力を検出することにより確認した。カンチレバ
ー１が変位しないようにするために、探針２の電圧に対
応した電圧を電圧源２４により補償電極２３に加えるよ
うにした。Next, a voltage source 24 is used to apply a voltage to the compensation electrode 23 so that the cantilever 1 is not displaced even if a voltage is applied to the probe 2 when the vibration of the cantilever is stopped. . The displacement of the cantilever 1 was confirmed by detecting the DC output of the photodetector. In order to prevent the cantilever 1 from being displaced, a voltage corresponding to the voltage of the probe 2 is applied to the compensation electrode 23 by the voltage source 24.
【００４９】その結果、探針２に加えられる直流電圧成
分によるカンチレバーの変位を防ぐことができるため、
安定した変位電流像とトンネル電流像を得ることができ
た。As a result, the displacement of the cantilever due to the DC voltage component applied to the probe 2 can be prevented,
Stable displacement current image and tunnel current image could be obtained.
【００５０】ところで、本実施例では、力勾配を一定に
保つ制御を行いながら試料３を圧電素子４により２次元
走査しているが、変位電流またはトンネル電流を一定に
保つ制御を行いながら、凹凸画像と変位電流像とトンネ
ル電流像の同時観察を行ってもよい。また、トンネル電
流を一定に保つ制御を行う際には、２位相のロックイン
増幅器２６により測定されるトンネル電流を用いてもよ
いし、前置増幅器２５の出力の平均値が直流成分である
トンネル電流成分に対応するためこの平均値を用いても
よい。By the way, in this embodiment, the sample 3 is two-dimensionally scanned by the piezoelectric element 4 while controlling the force gradient to be constant, but the unevenness is controlled while controlling the displacement current or the tunnel current to be constant. The image, the displacement current image, and the tunnel current image may be simultaneously observed. Further, when controlling to keep the tunnel current constant, the tunnel current measured by the two-phase lock-in amplifier 26 may be used, or the average value of the output of the preamplifier 25 is a DC component. This average value may be used to correspond to the current component.
【００５１】なお、カンチレバーを固定した状態でトン
ネル電流と変位電流とを探針の電圧Ｖ１を徐々に変化さ
せながら測定する際には、電圧Ｖ１の変化によるカンチ
レバーの変位を、補償電極に電圧を加えることにより防
ぐことができるので、精度良くトンネル電流と変位電流
の電圧Ｖ１依存性を測定することができた。When the tunnel current and the displacement current are measured while the cantilever is fixed while gradually changing the probe voltage V 1 , the displacement of the cantilever due to the change in the voltage V 1 is applied to the compensation electrode. Since it can be prevented by applying a voltage, the dependence of the tunnel current and the displacement current on the voltage V 1 can be measured with high accuracy.
【００５２】（実施例４）情報再生装置 図２は本発明
に係る情報再生装置の一実施形態の主要部を模式的に示
した図である。この情報再生装置では、前述した走査型
プローブ顕微鏡における試料を磁気記録媒体とし、軟磁
性体の探針を用いて磁気記録媒体に記録された情報信号
の磁化パターンから磁気力の勾配を探針によって検出し
情報信号を再生する。従ってカンチレバーの加振、振動
の検出、検出した信号の処理、およびそのフィードバッ
ク手段については、先の実施例２と基本的に同じ構成で
ある。(Example 4) Information reproducing apparatus FIG. 2 is a diagram schematically showing a main part of an embodiment of an information reproducing apparatus according to the present invention. In this information reproducing apparatus, the sample in the above-mentioned scanning probe microscope is used as a magnetic recording medium, and a soft magnetic probe is used to determine the gradient of the magnetic force from the magnetization pattern of the information signal recorded on the magnetic recording medium by the probe. It detects and reproduces the information signal. Therefore, the vibration of the cantilever, the detection of the vibration, the processing of the detected signal, and the feedback means are basically the same as those in the second embodiment.
【００５３】図２において、駆動装置３３に取り付けら
れた磁気記録媒体３１の表面には、カンチレバー１の自
由端の一方の側に固定された探針３２が近接し対向して
いる。In FIG. 2, a probe 32 fixed to one side of the free end of the cantilever 1 is close and opposed to the surface of the magnetic recording medium 31 attached to the drive device 33.
【００５４】カンチレバー１にはＸ，Ｙ，Ｚ方向に微動
を行なうための圧電素子４と加振のための圧電素子５と
が取りつけられている。そしてカンチレバー１の探針３
２を取りつけた面とは反対側の面に、カンチレバーに対
向し距離を設けて配置された補償電極２３が配置されて
いる。この補償電極２３はカンチレバー１との間に静電
容量を有し、カンチレバーとの間には電圧が与えられて
いるので、カンチレバーを引き寄せる力を及ぼし、カン
チレバー１に取りつけられた探針３２が磁気記録媒体３
１に接触するのを防ぐ役割を果たしている。先の実施例
１の場合と同様に、探針およびカンチレバーにはたらく
力に起因した力勾配の信号を、カンチレバーの高さを制
御する圧電素子４にフィードバックすることによって磁
気記録媒体３１と探針３２との間の距離を一定に保って
いる。なお、ここではカンチレバーの振動の検出に、光
ファイバ光干渉装置６２を用いている。The cantilever 1 is provided with a piezoelectric element 4 for making fine movements in the X, Y and Z directions and a piezoelectric element 5 for exciting. And the probe 3 of the cantilever 1
On the surface opposite to the surface on which 2 is attached, a compensating electrode 23 is arranged facing the cantilever with a distance. The compensating electrode 23 has an electrostatic capacity between itself and the cantilever 1, and a voltage is applied between the compensating electrode 23 and the cantilever 1, so that the compensating electrode 23 exerts a force to attract the cantilever 1 and the probe 32 attached to the cantilever 1 is magnetized. Recording medium 3
It plays the role of preventing contact with 1. Similar to the case of the first embodiment, the magnetic recording medium 31 and the probe 32 are fed back to the piezoelectric element 4 which controls the height of the cantilever by feeding back the signal of the force gradient resulting from the force acting on the probe and the cantilever. Keeps the distance between and constant. Here, the optical fiber optical interference device 62 is used for detecting the vibration of the cantilever.
【００５５】磁気記録媒体３１は円板状であり、精密級
のエアスピンドルの駆動装置３９に保持されて回転し、
この磁気記録媒体３１表面に近接対向した探針３２を、
これを取りつけたカンチレバー１とともに移動アーム３
４によって磁気記録媒体３１の径方向に移動させる。The magnetic recording medium 31 has a disk shape, and is held and rotated by a precision air spindle driving device 39,
The probe 32 closely facing the surface of the magnetic recording medium 31 is
Moving arm 3 along with cantilever 1 with this attached
4, the magnetic recording medium 31 is moved in the radial direction.
【００５６】こうした構成で、カンチレバー１にはフィ
ードバックループにより、加振の交流電圧が加えられ
る。磁性を有する探針２によって、磁気記録媒体３１の
表面と探針３２との間にはたらく力の勾配を、カンチレ
バー１の振動の周波数、振幅位相などを光ファイバ光干
渉装置３５によって検出し、実施例１で示した構成によ
り、検出した振動の信号を増幅し処理してこれをフィー
ドバックするとともに、高密度に記録された磁気記録媒
体３１の情報を凹凸像として安定に読み取ることができ
る。なお、このフィードバックループの時定数よりも早
い情報読取りを行う際には、前記増幅器の振幅または位
相を検出することにより情報を読み取ることもできる。With this structure, an AC voltage for vibration is applied to the cantilever 1 by a feedback loop. The optical fiber optical interference device 35 detects the gradient of the force acting between the surface of the magnetic recording medium 31 and the probe 32 by the magnetic probe 2, and detects the vibration frequency and amplitude phase of the cantilever 1 by the optical fiber optical interference device 35. With the configuration shown in Example 1, the detected vibration signal can be amplified, processed, and fed back, and the information of the magnetic recording medium 31 recorded at high density can be stably read as an uneven image. When reading information faster than the time constant of the feedback loop, the information can be read by detecting the amplitude or phase of the amplifier.
【００５７】なお、上述の軟磁性体の探針を、情報信号
電流が流れる微小コイルによって磁化状態を変化させ、
情報信号を記録する記録磁界を磁気記録媒体３１の表面
に発生できる記録ヘッドとしても用いることができるよ
うにし、この情報再生装置に情報記録機能を備えた情報
記録再生装置とすることができる。In the soft magnetic probe described above, the magnetized state is changed by a minute coil through which an information signal current flows,
The recording magnetic field for recording the information signal can also be used as a recording head capable of generating on the surface of the magnetic recording medium 31, and the information recording / reproducing apparatus having the information recording function can be provided in this information reproducing apparatus.
【００５８】また、本実施例では移動アーム３４の移動
方向に対するカンチレバー１の方向は平行となつている
が、これを垂直としても良い。この際には、カンチレバ
ーの方向の変更にあわせて、補償電極２３と圧電素子５
４と光ファイバ光干渉装置６２の配置もそれぞれの機能
が発現するように配置を変更する。In the present embodiment, the direction of the cantilever 1 is parallel to the moving direction of the moving arm 34, but it may be vertical. At this time, the compensating electrode 23 and the piezoelectric element 5 are adjusted in accordance with the change of the cantilever direction.
4 and the optical fiber optical interference device 62 are also changed so that their respective functions are exhibited.
【００５９】[0059]
【００６０】本発明によれば、カンチレバーの背面側に
距離を設けて配置され、カンチレバーとの間に電圧を有
する補償電極から、カンチレバーに対する引力が作用
し、カンチレバーに固定された探針と試料表面との間に
はたらく吸引力を補償することができるので、カンチレ
バーのばね定数を小さく選んでも、また探針と試料との
間の電位差を大きくしても、探針が試料表面に接触する
のを防ぐことができるので、力勾配、表面電位、磁気
力、変位電流、トンネル電流、を検出する走査型プロー
ブ顕微鏡、および磁気力勾配を検出して情報を読み取る
情報再生装置を、安定にしかも精度良く構成できる。According to the present invention, an attractive force acts on the cantilever from the compensating electrode which is arranged on the back side of the cantilever with a distance and has a voltage between the cantilever and the surface of the sample fixed to the cantilever. Since it is possible to compensate the suction force acting between the probe and the sample, even if the spring constant of the cantilever is selected to be small or the potential difference between the probe and the sample is increased, the probe does not come into contact with the sample surface. Since it can be prevented, a scanning probe microscope that detects force gradient, surface potential, magnetic force, displacement current, tunnel current, and an information reproducing device that detects magnetic force gradient and reads information can be stably and accurately. Can be configured.
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施形
態を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing an embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention.
【図２】本発明に係る情報再生装置の一実施形態を示す
図である。FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of an information reproducing apparatus according to the present invention.
１……カンチレバー、２……探針、３……試料、４……
圧電素子、５……圧電素子、６……光源、７……光検出
器、８……前置増幅器、１１……誤差増幅器、１２……
フィルタ、１３……Ｚ圧電素子駆動電源、１４……第１
のロックイン増幅器、１５……第２のロックイン増幅
器、１６……発振器／振幅調整器、１７……誤差増幅器
／フィルタ、１８……加算器、１９……位相調整器、２
０……波形変換器、２１……振幅調整器、２２……Ｆ／
Ｖ変換器、２３……補償電極、２４……電圧源、２５…
…前置増幅器、２６……２位相ロックイン増幅器、３１
……磁気記録媒体、３２……探針、３３……駆動装置、
３４……移動アーム、６２……光ファイバ光干渉装置1 ... cantilever, 2 ... probe, 3 ... sample, 4 ...
Piezoelectric element, 5 ... Piezoelectric element, 6 ... Light source, 7 ... Photodetector, 8 ... Preamplifier, 11 ... Error amplifier, 12 ...
Filter, 13 ... Z piezoelectric element drive power supply, 14 ... First
Lock-in amplifier, 15 ... Second lock-in amplifier, 16 ... Oscillator / amplitude adjuster, 17 ... Error amplifier / filter, 18 ... Adder, 19 ... Phase adjuster, 2
0 ... Waveform converter, 21 ... Amplitude adjuster, 22 ... F /
V converter, 23 ... Compensation electrode, 24 ... Voltage source, 25 ...
... Preamplifier, 26 ... 2 phase lock-in amplifier, 31
... magnetic recording medium, 32 ... probe, 33 ... drive device,
34 ... Moving arm, 62 ... Optical fiber optical interference device
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 13/22 Ｇ０１Ｎ 13/22 Ａ Ｇ０１Ｒ 33/02 Ｇ０１Ｒ 33/02 Ｆ Ｇ１１Ｂ 5/02 Ｇ１１Ｂ 5/02 Ｒ 9/14 9/14 Ｃ Ｇ１２Ｂ 21/10 Ｇ１２Ｂ 1/00 ６０１Ｅ 21/12 ６０１Ｆ ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) G01N 13/22 G01N 13/22 A G01R 33/02 G01R 33/02 F G11B 5/02 G11B 5/02 R 9/14 9/14 C G12B 21/10 G12B 1/00 601E 21/12 601F
Claims (5)
ンチレバーと、 前記カンチレバーを振動させる振動手段と、 前記カンチレバーの前記探針を備えた面とは反対側の面
に対向し、距離を設けて配置され、前記カンチレバーと
の間に電位差を有する補償電極と、 前記カンチレバーの振動の周波数、振幅または位相を検
出する振動検出装置と、 前記探針を前記試料に対して相対的に移動する移動手段
とを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。1. A probe that closely opposes a sample surface, a cantilever that is provided with the probe on one surface of its free end, has conductivity, vibrating means that vibrates the cantilever, and the probe of the cantilever. And a compensating electrode facing a surface opposite to the surface provided with a distance from each other and having a potential difference between the cantilever and the vibration detecting device for detecting the frequency, amplitude or phase of vibration of the cantilever. And a moving means for moving the probe relative to the sample.
試料との間の磁気力の力勾配が検出可能であることを特
徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the probe has magnetism, and a force gradient of a magnetic force between the probe and the sample can be detected.
する電圧印加手段を備え、前記探針と前記試料との間の
静電気力の力勾配が検出可能であることを特徴とする請
求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡。3. A voltage applying means for applying a voltage between the probe and the sample is provided, and a force gradient of an electrostatic force between the probe and the sample can be detected. The scanning probe microscope according to claim 1.
ネル電流とに分離して検出する電流分離検出手段を備え
たことを特徴とする請求項３記載の走査型プローブ顕微
鏡。4. The scanning probe microscope according to claim 3, further comprising a current separation detection unit that separates and detects a current flowing through the sample into a displacement current and a tunnel current.
と、 自由端の一方の面に前記探針を備え、導電性を有するカ
ンチレバーと、 前記カンチレバーを振動させる振動手段と、 前記カンチレバーの前記探針を取りつけた面とは反対側
の面に対向し距離を設けて配置され、前記カンチレバー
との間に電位差を有する補償電極と、 前記カンチレバーの振動の周波数、振幅または位相を検
出する振動検出装置と、 前記探針と前記磁気記録媒体との距離を制御する手段
と、 前記カンチレバーを駆動して前記探針を前記磁気記録媒
体の表面の所定の情報が記録された位置に対向させる探
針駆動手段とを備えたことを特徴とする情報再生装置。5. A magnetic recording medium, a magnetic probe that closely faces and opposes the surface of the magnetic recording medium, a conductive cantilever that includes the probe on one surface of a free end, and a vibrating the cantilever. A vibrating means, a compensating electrode facing the surface of the cantilever opposite to the surface on which the probe is attached, and having a potential difference between the compensating electrode and the cantilever, and a frequency of vibration of the cantilever. A vibration detecting device for detecting an amplitude or a phase, a means for controlling a distance between the probe and the magnetic recording medium, and a predetermined information of the surface of the magnetic recording medium for driving the cantilever to move the probe. An information reproducing apparatus, comprising: a probe driving unit facing a recorded position.
Priority Applications (1)
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006527856A (en) * | 2003-06-16 | 2006-12-07 | ユーティ―バテル エルエルシー | High-throughput microcantilever detector |
| JP2008500555A (en) * | 2004-05-21 | 2008-01-10 | ビーコ インストルメンツ インコーポレイテッド | Method and apparatus for measuring electrical properties in torsional resonance mode |
| US7853422B2 (en) | 2004-11-05 | 2010-12-14 | Japan Science And Technology Agency | Dynamic-mode atomic-force-microscope probe (Tip) vibration simulation method, program, recording medium, and vibration simulator |
| CN106430082A (en) * | 2016-10-19 | 2017-02-22 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | Charge probe based on single electron transistor (SET) and preparation method thereof |
-
2001
- 2001-08-29 JP JP2001259537A patent/JP2003065931A/en not_active Withdrawn
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